隧道地质超前预报

何发亮，《隧道地质预报》、《铁路隧道超前地质预报技术指南（铁建设【2008】105）》的主要撰稿人。广西贺州人，中铁西南科学研究院有限公司教授级高级工程师、院副总工程师、工程地质预报中心/工程地质研究室主任、硕士研究生导师。生于1962年，1984年毕业于中山大学地质学系，主要从事隧道围岩分级、声波探测技术应用和隧道施工地质预报研究。 1995年任副研究员，2002年任教授级高级工程师，同年被评为中国铁路工程总公司首批有突出贡献的中青年专家，是中国铁路工程总公司专家委员会专家、2008年国务院政府特殊津贴专家。 现任IAEG会员、中国地质学会工程地质专委会委员、中国岩石力学与工程学会地下工程分会理事、四川省岩石力学与工程学会理事兼副秘书长、四川省声学学会理事、《铁路地质与路基》编委、四川省评标专家库和四川省地质灾害评估专家库在库专家。 获铁道部部科技进步奖四等奖1项、总公司科学技术奖一、二等奖各1项、铁道科学研究院科技成果三等奖1项。 主要论文著作： 《隧道地质超前预报》（西南交通大学出版社，2006年） 《隧道工程岩体分级》（西南交通大学出版社，2007年） 《隧道工程地质与声波探测技术》（西南交通大学出版社，2005年） 《岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体预报模型试验研究》（现代隧道技术，2008年第2期） 《岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预测预报探讨》（现代隧道技术，2007年第2期） 《隧道施工地质超前预报工作方法》（岩土工程学报，2006年） 《TBM施工隧道围岩分级研究》（岩石力学与工程学报，2002年9月，第21卷第9期） 《岩溶地区长大隧道涌水灾害预测预报技术》（水文地质工程地质，2001年第5期） 《声波探测技术的新发展及其应用》（中国铁道科学，1999年第20卷第4期） 《隧道施工期地质超前预报技术的发展》（现代隧道技术，2001年第3期） 《隧道施工期地质超前预报若干问题探讨》（第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，2004年） 《HSP及CT法隧道施工期岩溶地质预报》（隧道地质超前预报技术交流研讨会论文集，2004年） 《声波CT技术在泸定桥东桥台内部结构探测中的应用》（文物保护与考古科学，2001年第13卷第1期） 《泸定桥东桥台内部加固效果检测》

常用的方法有TSP，TST超前预报、，二者都是在隧道内进行预报，TSP，TST可预报掌子面前方100～150m的地质情况，地质雷达能预报掌子面前方20～30m的地质情况。

近年有人将高密度电法引进到隧道地质预报中来，即在隧道正上方的山上沿隧道走向布置高密度电法剖面。该方法的优点是速度快、图像直观、对水、构造反映灵敏。

云南航天检测在国内较早利用长期（高密度电法）、中期（TSP、TST）、短期（地质雷达）相结合的方法进行隧道地质超前预报，取得了良好的效果。

BEAM(Bore Tunnelling Electrical Ahead Monitoring)探测技术就目前而言是当前国际上一种较先进的电法隧道超前探测技术。它由德国GETGEO EXPLORATION TECHNOLOGIES公司（简称GET公司）从 1998年开始进行开发研制，2004年获得德国国家专利。

作为聚焦电流频率域的激发极化方法的一种超前探测技术，BEAM开发研制源自于一种被称为百分频率效应(PFE-Pereentage frequency effect)的综合电性参数，此外还应用了聚焦电流技术使得探测数据的固定在一定的范围之内。

BEAM测试技术的原理是通过对岩层电阻率进行测试的电法(激发极化法)来探知岩石质量、空洞和水体的。电子导体和离子导体的岩石在人工电流场中被极化的现象称为激发极化现象，大约在1913年由法国的Conrad Schfumberger所发现。

德国GET公司开发研制的BEAM测试系统就是一种以交流激发极化法为探测手段的技术。

交流激发极化法使用超低频段(0.01～10Hz)中两种相差较大的固定频率分别供电(f1和f2)，然后分别观测f1和f2两种频率供电时的电压，求得两种电阻率R(f1)(用较低频率f1观测所得)和R(f2)(用较高频率f2观测所得)，由此来计算百分频率效应PFE(公式如下):

R(f1) =U(f1) /I(f1) 和 R(f2)= U(f2) /I(f2)

PFE=[ R(f1)- R(f2)]/ R(f1)x100% （ f1

BEAM的预报成果的解译就是基于以上对不同岩体分类的定义，其中高、中、低表示岩体的孔隙率高低程度，孔隙较高硬质岩地区的断层带、洞穴等PFE值最低，软土区的类似地质情况次之，较为紧密的岩体PFE值最高，孔隙率和PFE值呈明显的反比关系。不同的电阻率也会对应不同的岩体情况，干燥致密的岩体电阻率较高，孔隙率大的含水岩体电阻率较低，BEAM系统采用交流激发极化法进行超前预报，获得百分频率效应PFE和电阻率R两种参数，以这两种参数为成果解译基础，综合对前方地质情况进行预报。

目前该项技术自2000年伊始，在国外被应用于在各种复杂的地质条件下进行施工的隧道工程，截至现在已经完成探测隧道的累计洞身长度已超过100km。主要应用有意大利Ginori隧道，瑞士哥斯塔特基线隧道(Gotthard Base Turnnel)(目前世界上最长的隧道)，瑞士勒其山基线隧道(Lotschberg Base Tulnnel)，德国Irlahull，Geisbers和Stammham隧道（连接了Nuremberg到Ingolstadt的高速铁路）等等。

欧美大地仪器设备中国有限公司率先将技术引进到国内。

隧道地质超前预报专著《隧道地质预报》

分别阐述了隧道地质超前预报的意义和内容、隧道地质特点和隧道主要工程地质问题、隧道地质超前预报工作方法、超前水平钻探法进行隧道地质超前预报的技术应用、地震映像法进行隧道地质超前预报的技术应用、TSP在隧道地质超前预报中的技术应用、地质雷达在超前预报中的技术应用和TRT在隧道地质超前预报中的技术应用。这些技术对我国的地下建筑施工是非常有帮助的。《隧道地质超前预报技术与应用》可作为从事隧道或隧洞工程研究、施工的技术人员和从事相关技术工作的管理人员，高等院校师生的参考书。

第1章 绪论

1.1 隧道地质超前预报的定义

1.2 隧道地质超前预报的目的与意义

1.3 隧道地质超前预报的内容

1.4 隧道地质超前预报的方法

1.4.1 工程地质调查与推断、分析方法

1.4.2 超前导坑法、水平钻机超前探测法

1.4.3 地质雷达检测方法

1.4.4 隧道内反射地震预报方法

1.4.5 TSP超前预报技术

1.4.6 TRT反射地震层析成像方法

1.4.7 地震负视速度法

1.4.8 水平声波反射法(HSP)

1.4.9 陆地声纳法(高频地震反射法)

1.4.10 红外探水法

1.5 隧道地质超前预报的方法比较

1.6 隧道地质超前预报的形式

1.7 隧道地质超前预报的时间安排

1.8 隧道地质超前预报的发展

参考文献

第2章 隧道地质

2.1 岩类

2.1.1 沉积岩

2.1.2 火成岩

2.1.3 变质岩

2.2 地层

2.3 地质构造

2.4 地下水

2.5 特殊岩类及其工程地质特性

2.5.1 构造岩

2.5.2 软岩

2.5.3 膨胀岩土

2.5.4 盐溶角砾岩、喀斯特角砾岩

2.5.5 煤层

2.6 岩层、节理面、断层产状

2.7 不同结构类型岩体水文地质特征、变形破坏特征及主要工程地质问题

2.8 不同地质构造与隧道组合的主要工程地质问题

2.8.1 水平岩层中的隧道工程

2.8.2 倾斜岩层中的隧道工程地质问题

2.8.3 断层中的隧道工程地质问题

2.8.4 节理裂隙等结构面的不利组合及节理密集带的工程地质问题

2.8.5 向斜构造中的隧道工程地质问题

2.9 特殊工程地质问题

2.9.1 岩溶工程地质问题

2.9.2 在采及废弃矿巷问题

2.9.3 煤层、瓦斯及软夹层问题

参考文献

第3章 隧道地质超前预报工作方法

3.1 资料收集与整理

3.1.1 预可研和可行性研究阶段资料收集

3.1.2 勘察成果整理分析

3.1.3 熟悉设计文件、资料和图纸

3.2 补充地质调查

3.3 洞内地质调查和掌子面地质素描

3.3.1 洞内地质调查

3.3.2 掌子面地质素描

3.4 物探方法的选择和现场实施掌子面探测

3.4.1 物探方法的选择

3.4.2 掌子面探测

3.5 探测成果分析

3.5.1 界面距探测掌子面距离的确定

3.5.2 界面性质的确定

3.6 隧道工程岩体分级

3.7 预报报告的内容及报告的提交

3.7.1 预报报告的内容

3.7.2 报告的提交

3.8 验证

参考文献

第4章 超前水平钻探法的应用技术

4.1 超前水平钻探法研究

4.1.1 超前水平钻探法的基本原理与介绍

4.1.2 超前水平钻探法的优缺点

4.2 超前水平钻探法施工技术

4.2.1 施工流程

4.2.2 主要技术要求

4.2.3 施工准备

4.2.4 钻机就位

4.2.5 施钻

4.2.6 地质分析判断、成果报告

4.3 RPD-150C型钻机的概况

4.3.1 RPD-150C钻机

4.3.2 现场钻进技术指标

4.4 工程实例

4.4.1 隧道地质概况

4.4.2 把水寺隧道钻探孔资料

4.4.3 结论与建议

参考文献

第5章 地震映像法的应用技术

5.1 概述

5.1.1 地震映像法原理

5.1.2 地震映像法的分类

5.1.3 地震映像法数据采集要点

5.2 野外数据采集的方法及技术

5.2.1 工作仪器和方法

5.2.2 野外工作方法试验

5.2.3 地震映像法在不同地质条件下的应用

5.2.4 地震映像解释方法

5.3 工程实例

5.3.1 工程简介

5.3.2 隧道地质概况

5.3.3 工作方法

5.3.4 ZK269 393～ZK269 443段调查测试结果及分析

参考文献

第6章 TSP在隧道地质超前预报中的应用技术

6.1 TSP203的工作原理和组成

6.1.1 TSP203预报原理

6.1.2 TSP203测量方法的原理基础

6.1.3 TSP203系统的仪器组成

6.1.4 TSP203系统的优势

6.2 野外信号数据采集

6.2.1 TSP203野外信号数据采集

6.2.2 原始记录注意事项

6.3 数据处理流程

6.3.1 原始数据编辑

6.3.2 初至波拾取

6.3.3 选择时窗长度

6.3.4 带通滤波

6.3.5 道能量均衡

6.3.6 计算品质因子Q

6.3.7 反射波提取

6.3.8 纵横波分离

6.3.9 速度分析

6.3.10 深度偏移成像

6.3.11 反射界面提取

6.4 TSP技术的资料分析原则

6.4.1 反射系数

6.4.2 横波与纵波的速度比

6.4.3 横波分裂与裂隙发育带

6.5 工程实例

6.5.1 TSP技术在擦罗2号隧道中的应用

6.5.2 TSP技术在明月峡隧道地质超前预报中的应用

参考文献

第7章 地质雷达在超前预报中的应用技术

7.1 引言

7.2 地质雷达的基本原理

7.2.1 电磁波的传播与波速

7.2.2 电磁波的反射与折射

7.2.3 地质雷达的组成及工作原理

7.3 地质雷达进行超前预报的技术与方法

7.3.1 地质雷达的技术参数

7.3.2 地质雷达测量参数的选取

7.3.3 地质雷达的测量方式和信号触发方式

7.3.4 地质雷达的探测方法

7.4 地质雷达的数据处理技术

7.4.1 地质雷达的数据文件编辑

7.4.2 波速估计

7.4.3 数字滤波

7.4.4 反褶积

7.4.5 偏移归位处理

7.5 地质雷达的数据解释技术

7.5.1 地质雷达地质超前预报适宜性评价

7.5.2 地质雷达解译图件

7.5.3 后期解译方法及其规范化

7.5.4 提高解译精度的途径与方式

7.5.5 解译标志的初步建立

7.6 工程实例

7.6.1 工程概况

7.6.2 探测依据及方法

7.6.3 现场探测

7.6.4 数据处理

7.6.5 探测结果

参考文献

第8章 TRT地质超前预报法

8.1 TRT技术原理与仪器应用方法

8.1.1 TRT方法原理

8.1.2 TRT技术原理

8.2 TRT工作流程

8.3 数据处理

8.3.1 TRT数据处理流程

8.3.2 具体操作

8.4 TRT技术的优点及存在的问题

8.5 工程实例

8.5.1 地质概况

8.5.2 探测方法及结论

8.5.3 建议2100433B